WO2009098336A1 - Método para la monitorización no invasiva del curado de un material plástico termoestable mediante el uso de microondas y dispositivo microondas para la aplicación de dicho método - Google Patents

Método para la monitorización no invasiva del curado de un material plástico termoestable mediante el uso de microondas y dispositivo microondas para la aplicación de dicho método Download PDF

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WO2009098336A1
WO2009098336A1 PCT/ES2009/000061 ES2009000061W WO2009098336A1 WO 2009098336 A1 WO2009098336 A1 WO 2009098336A1 ES 2009000061 W ES2009000061 W ES 2009000061W WO 2009098336 A1 WO2009098336 A1 WO 2009098336A1
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resonator sensor
microwave
signal
plastic material
factor
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Inventor
Antoni Josep Canon Marin
José Manuel CATALA CIVERA
Beatriz GARCIA BAÑOS
Cristina Llobel Andres
Enrique MONTIEL PARREÑO
Ángel César ORGILÉS BARCELÓ
Felipe Laureano PEÑARANDA FOIX
Norberto Portas Rosas
Damián POVEDA VERDU
Elías DE LOS REYES DAVÓ
Original Assignee
Universidad Politecnica De Valencia
Instituto Tecnológico Del Calzado Y Conexas (Inescop)
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables

Definitions

  • the present invention belongs to the technical field of the methods used to monitor the curing process of a thermoset plastic material.
  • the present invention employs microwaves to obtain readings with which to control the evolution of the material in its curing process.
  • Curing is a chemical reaction that converts a certain polymer, or combination of polymers, into a thermosetting plastic.
  • PUR is a polyol based compound
  • component A an isocyanate prepolymer
  • component B an isocyanate prepolymer
  • additives that help the development of the reaction are usually added to the mixture, such as chain understandings, crosslinking agents, catalysts, foaming agents, light stabilizers, antistatic additives, antihydrolysers, etc.
  • thermostable material From the moment of mixing the components, a series of more or less simultaneous reactions that give rise to the thermostable material are initiated. For example, polymerization reactions, crosslinking reactions and foaming reactions. All these reactions take place inside the mold that acts as a reactor since once the process is finished, the material acquires a thermosetting character that makes it impossible for its subsequent molding. If during the manufacturing process there are small alterations in the dosage or mixing of the components or even aging due to different causes of said components, the reactions that must be carried out inside the mold may not be the expected ones, producing a defective material that is not always detectable with the naked eye. In certain processes the material that is wasted can reach up to 10%, resulting in additional costs and environmental problems.
  • thermosetting plastics in general they develop in very short times (even less than 3 seconds in some cases) are very difficult to control, since they depend on multiple factors, such as the dosage of the components, the temperature , pressure, humidity, aging of components, etc. Therefore, today in day, the only way to ensure a good quality of thermosetting plastics, such as polyurethane, is to perform a series of tests on said material once the curing process is finished, that is, they are controls carried out afterwards! .
  • the process is based on the manufacturer's specifications for recommended time / temperature / pressure polymers, obtained through hypotheses about the state of the materials before / during / after the process. Conservative estimates are usually used, which makes curing much less efficient than it could be.
  • the fiber optic sensors have the disadvantage that they are very fragile and are drastically affected by variations in temperature or pressure, so they are not suitable for monitoring the curing of most thermosetting plastics, for example polyurethane .
  • IR spectrometry requires destructive measures, since the sensor penetrates and drills the material to perform the measurement, in addition to its high cost and very specialized personnel.
  • the present invention describes a new method and a device, as an example of application of said method, for the non-invasive monitoring of the curing process of a thermosetting plastic material.
  • the modification of the viscosity or the hardening of the material are also manifested in dynamic changes of the complex permittivity at microwave frequencies. Therefore, the dynamic and non-invasive measure of the complex permittivity of the material during the change process, or of some parameter directly or indirectly dependent on the complex permittivity, can be used for the monitoring of the curing process.
  • the present invention relates to a method for non-invasive monitoring of the chemical reaction linked to the curing process of a thermosetting plastic material by the use of microwaves.
  • Said thermosetting plastic material may be, for example, polyurethane.
  • said method comprises the following steps.
  • the polymeric components will be placed in a mold for their forming and curing, which will take the form of the mold as the curing process evolves into a thermosetting plastic with the predetermined shape of the mold.
  • Signals will be generated in the microwave frequency spectrum, within a frequency range between 300 MHz and 100 GHz, for example, between 1 GHz and 3 GHz.
  • thermoset plastic material reflects part of the conducted signal and absorbs another part of the conducted signal, depending on the state of the thermostable material at that moment, the resonator sensor being a resonant microwave structure that is in contact with the thermostable plastic material.
  • thermosetting plastic material The signal reflected by the thermosetting plastic material will be received by the same microwave cable. With this reflected signal the reflection factor will be obtained, both its module and its phase. Said reflection factor is defined as the relationship or quotient between the conducted signal, also called incident and the reflected signal.
  • the downloaded resonance frequency, the coupling factor and / or the quality factor downloaded will be determined.
  • the values downloaded from the resonance frequency and the quality factor correspond to those values in which the disturbance of the coupling network of the resonator sensor has been eliminated, and which represents the actual or proprietary resonance frequency and quality factor of the sensor resonator without being falsified by taking into account the effect of the coupling network.
  • the coupling network can disturb the measurement of the resonance frequency and quality factor, by this The reason for using the calculated values directly without having made an adjustment of these values may cause incorrect results by not taking into account the aforementioned coupling.
  • Using the electromagnetic relationship between the resonant frequency and the quality factor discharged from the resonator sensor it will be possible to determine the value of the complex permittivity of the thermosetting material.
  • thermoset plastic material With the values obtained in real time, a real-time control of the curing process of the thermoset plastic material can be carried out.
  • the resonant frequency and the quality factor downloaded or the real part and the imaginary part of the complex permittivity may be used.
  • the method of the invention may comprise a method for obtaining the complex permittivity of the thermostable material from the previous determination of the resonance frequency, the coupling factor and the quality factor discharged extracted from the measurement of the reflection factor of a resonator sensor in contact with the thermoset plastic material.
  • Said procedure includes the prior numerical obtaining of a relationship between resonance frequencies and discharged quality factors, which correspond to the specific shape of the resonator sensor, with values of the complex permittivity of the thermostable plastic material with which it is in contact. said resonator sensor, covering the possible values of variation of the thermostable plastic material in its curing process.
  • thermostable plastic material and resonator sensor for each combination of thermostable plastic material and resonator sensor, a matrix can be developed that relates resonance frequencies and quality factors downloaded with complex permittivity values (real part and imaginary part), so that it will be possible to obtain each of these values having the Two other tabulations. Further details of the procedure mentioned here are provided in subsequent sections.
  • the coupling network can cause the measurement obtained to be falsified.
  • the tuning produced by the coupling network can be defined as the deviation of the resonance frequency discharged from the measured resonance frequency, said measured resonance frequency corresponding to the frequency at which the minimum peak of the reflection factor occurs.
  • This method also includes the real-time measurement of the module and the phase of the reflected signal and the reflection factor, the real-time extraction of the downloaded quality factor, the coupling factor and the resonant frequency of the minimum peak from of the module and the phase of the reflection factor.
  • the resonator sensor is it places embedded in the mold, said resonator sensor comprising a coaxial structure, of length proportional to the wavelength of the emitted signal, with a first end terminated in a metal wall as a short circuit, and a second end contained in the same surface of the mold.
  • the second end of the resonator sensor adapts to the shape of the interior of the mold and does not modify the interior surface of said mold, that is, the presence of the resonator sensor does not alter the contour of the mold to be able to perform non-invasive measurements.
  • the resonator sensor is connected to the microwave generator and the microwave receiver at the first end of the resonator sensor.
  • the second end of the resonator sensor is configured to conduct the generated microwave signal to the thermoset plastic material. Said conduction may be carried out in the event that the resonator sensor is in direct contact with the thermostable plastic material or that they are located close enough so that the signal reaches from the resonator sensor to the thermostable plastic material without any contact between them. .
  • the length of the resonator sensor may be proportional in an odd integer multiple of a quarter of the wavelength of the emitted signal. That is, the length of the resonator sensor may have a length of one eighth, a quarter or three octaves, for example, of the wavelength.
  • the microwave generator may generate microwave signals in a frequency range between 300 MHz and 100 GHz, for example between 1 GHz and 3 GHz.
  • the device may comprise a separating network to separate both signals and thus the receiver receive only the reflected signal.
  • the microwave receiver may comprise an element selected from: a device to measure the module and the phase of the reflected signal in real time, a calibrated 5 or 6 port reflectometer, or a network analyzer connected with a control software for Automatically obtain the resonant frequency and signal quality factor of the reflected signal.
  • the power coupling circuit may be either capacitive or inductive.
  • the separating network may comprise a circuit selected from: a divider and an insulator, a divider and a directional coupler, a dual directional coupler and a directional coupler and an insulator.
  • the invention relates to a method for non-invasive monitoring of the chemical reaction linked to the curing process of a thermosetting plastic material through the use of microwaves.
  • the invention relates to a method for determining the degree of cure from real-time measurements of the reflection factor of a microwave resonator sensor using a detector that simultaneously provides module and phase values.
  • the invention relates, as an example of application of the method, to a device for determining the degree of non-invasive curing of a thermosetting plastic material at microwave frequencies.
  • the invention proposes a method for determining the resonance frequency discharged and the quality factor discharged from a microwave resonator sensor, with a very intense coupling.
  • the invention proposes a method for determining the complex permittivity of a material that undergoes hardening changes, such as those that occur in a polymer curing process, from the 2-D interpolation of the frequencies of resonance and quality factors downloaded measured and values of complex permittivity, real part and imaginary part, previously obtained with a rigorous electromagnetic analysis of the resonator sensor in contact with a material with a curved surface, adapted to the shape of the mold where it is produced the cure.
  • the invention proposes a method by which this characterization of complex permittivity is performed in real time as the curing process is taking place.
  • Another object of the present invention is to propose a process and device for the monitoring of complex permittivity where the permittivity does not depend on approximations, closed expressions or iterative methods of the related variables.
  • Another object of the invention relates to a procedure and device for monitoring the curing process where the materials are viscous materials with different viscosity levels.
  • Another object of the invention relates to a method and device for monitoring the curing process where the material is polyurethane.
  • Figure 1. Shows an operation scheme of the device used to monitor the curing of a thermostable material object of the present invention, in which the fundamental elements used in the method of the invention are observed.
  • Figure 2. Shows different perspective views of the example implementation device, object of the present invention.
  • Figure 3. Shows a view of a perspective cut and another elevation of the example device, object of the present invention.
  • Figure 4.- It shows a diagram with the module of the reflection factor measured by the resonator sensor in different moments of time as the process of Cured evolves.
  • Figure 5. Shows an electrical diagram representing the equivalent circuit of the resonator sensor, together with the coupling circuit used to power it and the microwave cable.
  • Figure 6. Shows a measurement of the reflection of the resonator sensor in an instant of the curing process, where an interpolation is performed for the determination of the resonance frequency.
  • Figure 7. Shows the deviations in the resonance frequency measured through the minimum reflection, fmin r with respect to the discharged or actual resonance frequency of the cavity (f u ) depending on the type of coupling. 1 / k low represents intense couplings.
  • Figure 8. Shows a diagram of the value of the resonance frequency and the quality factor discharged, extracted from the measurement of the signal reflected by the material through the resonator sensor, and mean by themselves a representative curve of the evolutionary curing process .
  • Figure 9. Shows a diagram with a two-dimensional representation of the real part of the complex permittivity as a function of the actual resonance frequency and the quality factor downloaded obtained from the reflected signal, for an example of a specific sensor corresponding to the diagrams of Figures 2 and 3.
  • Figure 10. Shows a diagram with a two-dimensional representation of the imaginary part of the complex permittivity as a function of the actual resonance frequency and the downloaded quality factor obtained from the reflected signal, for an example of a specific sensor corresponding to the diagrams in Figures 2 and 3.
  • Figure 11.- Shows a diagram of the value of the real part of the permittivity, dielectric constant, where the 2-D interpolation procedure is shown to obtain the value of the permittivity in real time, described in the present invention.
  • Figure 12. It shows a diagram of the value of the dielectric constant and the loss factor extracted from the measurement of the signal reflected by the material through the resonator sensor, through the procedure described in Figure 11 and mean in itself a second Representative curve of the evolutionary curing process.
  • thermostable plastic material (2) by the use of microwaves and a microwave device for the application of said method is described. It is the object of this invention.
  • thermosetting plastic material (2) An operation scheme of the measurement procedure for the non-invasive monitoring of the curing process of a thermosetting plastic material (2) is shown in Figure 1. In this figure you Observe how the thermoset plastic material (2) is placed inside a metal mold (1). Although most of the times the mold (1) is metallic, it could also be of any other material. Once introduced inside the mold (1), the polymeric components that will become a thermoset plastic material (2), begin the curing process and it evolves, modifying its properties and hardening until filling the mold (1) and Acquire its default form.
  • thermosetting plastic material (2) An access is made in a wall of said mold (1) and a resonator sensor (4) is placed in contact with the thermosetting plastic material (2), but without altering the shape of the interior surface of the mold (1).
  • the contact between the resonator sensor (4) and the thermoset plastic material (2) is such that it allows the resonator sensor (4) to emit microwaves. These waves penetrate the thermoset plastic material (2) where one part is absorbed and another part is reflected and captured by the resonator sensor itself (4).
  • a protective cover (3) will be placed.
  • This protective cover (3) will consist of a microwave transparent material, that is, it does not absorb or weaken the energy emitted to the thermosetting plastic material (2).
  • Preferred materials for the realization of the protective cover (3) will be those made of Teflon or ceramic.
  • thermostable plastic material (2) receives the signals from the microwave generator (7) through a power circuit (5), which is connected to a microwave cable (6).
  • Power circuit (5) which is connected to a microwave cable (6).
  • This power circuit (5) of the resonator sensor (4) is an essential element in the operation of the process, as described in the following figures.
  • This power circuit (5) can be both inductive, implemented with equipment such as current loops or couplings by openings, as capacitive, carried out by electric probes, for example.
  • thermoset plastic material (2) is directed to the microwave receiver (8) by the same microwave cable (6) through which said signals have been generated.
  • a separating network 9 is then placed following the microwave cable (6), which allows the reflected signal to be separated from the emitted signal by the generator.
  • the microwave receiver (8) will be formed by a module and phase detector, for example of type AD8302, capable of detecting signals in real time. Commercial network analyzers could perform this function but are generally ruled out because they have difficulties working in real time as they are generic devices.
  • thermoset plastic material (2) such as polyurethane
  • This control unit (10) will perform the tasks to obtain the constant measurement in real time of the microwave reflection of the thermoset plastic material (2) provided by the resonator sensor (4) as it undergoes changes due to the chemical reaction associated with the curing process
  • the stages of which the method consists are the following:
  • the microwave generator (7) from the configuration of the control unit (10), will generate signals in the microwave spectrum within a frequency range between 300 MHz and 100 GHz, preferably between 1 GHz and 3 GHz
  • the resonator sensor (4) emits the microwaves towards the thermoset plastic material (2) to reflect part of the emitted signal and absorb another part of the emitted signal.
  • the microwave receiver (8) previously calibrated in the frequency range of the microwave generator (7), obtains the module and the phase of the relationship between the emitted signal by the generator and the reflected signal, which is called the reflection factor, T m .
  • the resonance frequency and the quality factor downloaded are extracted from this measurement, according to the procedure described in the following figures.
  • thermoset plastic material (2) whose modification is the cause of the changes of the reflected signal and absorbed by the thermosetting plastic material (2) and which give rise to the non-invasive monitoring of the microwave frequency curing process.
  • thermostable material discharged
  • complex permittivity can be obtained, from experimentally obtained correlations, the physico-chemical properties of the thermostable material, polyurethane or any other type of material tested, and in particular the properties to As it changes from the base components to its subsequent hardening as a result of curing.
  • Figure 2 shows a possible embodiment of a resonator sensor (4) for determining the degree of
  • thermosetting plastic material (2) in a non-invasive manner, where the method described above is applied.
  • the device consists of a metal mold (1) and a resonator sensor (4) configured as a resonator in reflection and the elements mentioned when describing Figure 1, a microwave generator (7) for generating a microwave signal. which is transmitted to said resonator sensor (4) through a power circuit (5) and a microwave cable (6), a separating network (9) and a microwave receiver (8) for module and phase reception of the reflected signal from the resonator sensor (4).
  • the metal mold (1) where the curing process of the thermosetting plastic material (2) will be carried out is substantially conical-shaped or vessel-shaped.
  • the resonator sensor (4) is embedded in the mold (1), on one side thereof.
  • Said resonator sensor (4) is based on a coaxial structure, of length proportional to the wavelength of the emitted signal, specifically proportional to 1/4, 1/2 or 3/8 of the wavelength, whose dimensions of interior and exterior radii have been designed in such a way that the response of the resonator sensor (4) is as sensitive as possible against the variations of the complex permittivity of the thermostable plastic material (2) in its curing process, as described in the publication: Beatriz Garc ⁇ a-Ba ⁇ os et al 2005, Meas. Sci. Technol. 16 1186-1192, "Design rules for the optizmization of the sensitivity of open-ended coaxial microwave sensors for monitoring changes in dielectric materials".
  • the polymeric components for example the polyurethane components
  • the configuration of the resonator sensor (4) with an opening on the mold (1) requires a protective cover (3) of some thicknesses, to prevent the material thermosetting plastic (2) see its shape altered with the shape of the resonator sensor (4).
  • An alternative application without this specific protective cover (3) would be the use of a standard polypropylene vessel (11), since this material is transparent to microwaves, with the same inner section of the metal mold (1) on which they can be pour the polymeric components and inside which the curing process is carried out.
  • the possibility of removing the vessel (11) after each analysis and performing a new experience facilitates the use of the equipment described as a laboratory instrument.
  • - resonator (4) is not limited to coaxial resonators but extends to other types of resonators that could be adapted to the internal shape of the mold (1), such as, for example, special planar sensors such as curved microstrip, straight or curved coplanar, etc, oC sensors in waveguides with various sections, such as circular, rectangular, elliptical, etc.
  • Figure 3 shows a detail of the instrument described in Figure 2, where it can be seen that the coaxial structure of the resonator sensor (4) has two ends (12, 13).
  • the first end (12) ends in a metal wall (14), said metal wall (14) acting as a short circuit for the microwaves and defining its dimensions, as well as the frequency range in which it will work.
  • Said first end (12) is also used to feed the resonator sensor (4) through the power circuit (5).
  • the second end (13) will be realized in such a way that, as seen in figures 1 and 3, it adapts to the inner shape of the mold (1), without modifying the profile, contour or inner surface of said mold ( one) .
  • the resonator sensor (4) receives the microwaves from the microwave generator (7), in this case preferably between 1 and 3 GHz, through the power circuit or coupling network (5) and the microwave cable (6), emits them to the plastic material thermostable (2) and collect the. response of the thermoset plastic material (2) by the same microwave cable (6), which is manifested with a reflection that is received by the microwave receiver (8), - after being separated from the signal emitted by the generator microwave (7) with the separating network (9). All this synchronized by the control unit (10) to keep a control in real time, being able to get several points per second.
  • thermosetting plastic material (2) modifies its complex permittivity, which modifies the reflected signal captured by the resonator sensor (4) and directed towards the microwave receiver (8).
  • Figure 4 shows five of these reflected signals, specifically the reflection factor T m , received by the microwave receiver
  • thermoset plastic material (2) after being separated from the signal emitted by the generator by a separating network (9), at different moments of the curing process.
  • the different states of the thermoset plastic material (2) during the curing process are shown in this figure in the different signals received.
  • the figure shows four of these signals received during the curing process (15) and a last signal that characterizes the thermosetting plastic once the curing process (16) is finished.
  • Each of the signals received in Figure 4 shows a peak that corresponds to the frequencies absorbed by the thermostable plastic material (2) at that precise moment, which is called the resonance frequency, while the rest are reflected. completely.
  • a resonator sensor (4) connection of a resonator sensor (4) with other elements external to it, such as the microwave generator (7) and microwave receiver (8) through a power circuit or coupling network (5) and a microwave cable (6) implies a de-tuning of said resonator sensor (4), so that the frequency at which the minimum reflection occurs, referred to hereafter as f " m j .n , does not coincide with the actual resonance frequency of the resonator sensor
  • the resonance frequency discharged and noted as f ur which is precisely that which is related to the complex permittivity of the thermoset plastic material (2).
  • the connection of the resonator sensor (4) with the rest of the elements also causes a decrease in the quality factor of resonance
  • the system as a whole has a quality factor, called the loaded quality factor and referred to here as Q L , which is related to the resonance bandwidth.
  • this loaded quality factor also includes the effects of the elements external to the resonator sensor (4) and is always lower than the actual quality factor presented by the resonator sensor (4), called the downloaded quality factor, Q n , and which is the one that is related to the permittivity of the thermoset plastic material (2).
  • thermoset plastic material (2) a procedure is necessary to eliminate the effects of the elements external to the resonator sensor (4) on the resonance in order to obtain the values of the resonance frequency and the quality factor downloaded and then be able to determine Correctly form the permittivity of the thermoset plastic material (2). Said process, not carried out in other patents, is performed in the present invention.
  • Figure 5 represents the equivalent circuit of the resonator sensor (4), together with the power circuit (5) used to feed it with the signal from the microwave generator (7) through a microwave cable (6), and whose reflection is returned through the same microwave cable (6) to the microwave receiver (8), where it is measured to determine the reflection factor, F m .
  • This electrical diagram allows to model the decrease in the quality factor and the tuning of the resonator sensor (4) when connected to the rest of the elements (5, 6, 7, 8), as mentioned previously .
  • k is the coupling coefficient of the power circuit (5) of the resonator sensor (4) and represents the amount of microwave power that dissipates inside it with respect to the power dissipated in the rest of the elements external to it, it is that is, it represents the amount of energy coupled to the resonator sensor (4).
  • the resonator sensor (4) is very weakly coupled, that is, k is much less than 1, the effect of the elements external to the resonator sensor (4) on the resonance can, in principle, be neglected and the quality factor discharged, although it never coincides, it can be approximated by the loading and subsequently used for the determination of complex permittivity without excessive loss of precision.
  • the coupling is not weak, as is necessary, especially at the beginning of the curing process in thermosetting materials, for example, where the material usually presents moderate to high losses and requires a strong coupling, the influence of Power circuit is so important that using the value of the loaded quality factor to determine the permittivity leads to very important errors.
  • the loaded quality factor, Q L can be obtained by scalar microwave receivers that measure the reflection factor module,
  • the loaded quality factor, Q Ll could be obtained from the bandwidth of the reflection around the resonance peak, as is done in other patents.
  • an alternative method is described that offers more accurate results.
  • the procedure basically consists of an automatic curve adjustment in the complex plane of the reflection signal received at the vector receiver, T m , based on the rigorous formulation of the resonant system model shown in Figure 5, and an algorithm fast to operate in real time, which is very important for an industrial application of this type. This new procedure allows:
  • Figure 7 shows the deviations in the resonant frequency measured by the minimum reflection, fi ⁇ in / respect to the resonance frequency discharged or actual cavity, f ar depending on the type of coupling.
  • FIG. 8 shows a typical evolution of the resonance frequency, f a ⁇ and the quality factor, Q u , extracted from the signals shown in Figure 4, from the procedure described in Figures 5 and 6 and the pre-calibration of figure 7, with the evolution of the curing process and they mean in themselves a representative curve of the evolutionary process. It can be seen that, after initial changes, a reading stability is reached indicating that the thermosetting plastic material (2) has completed the process and remains stable.
  • the resonance frequency and the quality factor downloaded can be used to determine the complex permittivity of thermosetting plastic materials (2) and use the complex permittivity (real part and imaginary part) as a parameter for monitoring of the curing process, although the present invention does not refer to a method of determining the permittivity in particular.
  • What is proposed in the following invention as a method of obtaining permittivity data in real time is an alternative to closed expressions based on approximations or to more rigorous iterative methods and essentially it is the 2-D interpolation of tables, matrices, previously calculated that relate frequencies of resonances and quality factors downloaded and the real part and the imaginary part of the permittivity.
  • Figures 9, referring to the real part, and 10, which refer to the imaginary part, show the value of the matrices calculated for the configuration of the resonator sensor (4) shown in Figures 2 and 3; and in Figure 11 the 2-D interpolation procedure used to determine, for example, the dielectric constant, that is, the real part, from specific measurements of resonance frequency and quality factor corresponding to a particular moment of the curing process
  • the procedure used to generate the matrices has made use of electromagnetic simulators due to the complexity of obtaining said matrices when the configuration of the end of the resonator sensor (4) in contact with the thermosetting plastic material (2) is not regular.
  • Figure 12 shows the evolution over time of the dielectric constant or real part of the permittivity and the loss factor or imaginary part of the permittivity during the evolution of a curing process of a thermostable material.

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Abstract

Método para la monitorización no invasiva del curado de un material plástico termoestable mediante el uso de microondas y dispositivo microondas para la aplicación de dicho método. El método parte de las medidas en tiempo real del factor de reflexión de un resonador de microondas utilizando un detector que simultáneamente proporcione valores de módulo y fase. Además se propone un método para la determinación de la frecuencia de resonancia y el factor de calidad descargados de un resonador de microondas acoplado muy intensamente y un método para determinar la permitividad compleja de un material que va sufriendo cambios de densidad como los producidos durante el curado del poliuretano.

Description

MÉTODO PARA LA MONITORIZACION NO INVASIVA DEL CURADO DE
UN MATERIAL PLÁSTICO TERMOESTABLE MEDIANTE EL USO DE MICROONDAS Y DISPOSITIVO MICROONDAS PARA LA APLICACIÓN DE
DICHO MÉTODO
D E S C R I P C I Ó N
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención pertenece al campo técnico de los métodos empleados para monitorizar el proceso de curado de un material plástico termoestable. En particular, la presente invención emplea las microondas para obtener lecturas con las que poder controlar la evolución del material en su proceso de curado.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
El curado es una reacción química que convierte un cierto polímero, o combinación de polímeros, en un plástico termoestable.
En el caso concreto del poliuretano (PUR) , el curado se produce a partir de dos componentes básicos, líquidos a temperaturas próximas a la de ambiente, que se mezclan en proporciones concretas y reaccionan en un molde con
- una forma prefijada dando lugar a una pieza sólida.
Esencialmente el PUR es un compuesto en base poliol
(conocido como componente "A") y un prepolimero de isocianato (conocido como componente "B") . Además de los componentes mencionados, se suelen añadir a la mezcla otros aditivos que ayudan al desarrollo de la reacción, tales como entendedores de cadena, agentes de entrecruzamiento, catalizadores, agentes espumantes, estabilizadores de la luz, aditivos antiestáticos, antihidrolizantes, etc.
Desde el momento del mezclado de los componentes, se inician una serie de reacciones más o menos simultáneas que dan lugar al material termoestable. Por ejemplo, reacciones de polimerización, reacciones de reticulación y reacciones de espumación. Todas estas reacciones tienen lugar en el interior del molde que actúa como reactor ya que una vez finalizado el proceso, el material adquiere un carácter termoestable que le imposibilita su posterior moldeo. Si durante el proceso de fabricación se producen pequeñas alteraciones en la dosificación o mezclado de los componentes o incluso envejecimientos por diferentes causas de dichos componentes, las reacciones que se deben llevar a cabo en el interior del molde puede que no sean las esperadas, produciéndose un material defectuoso que no siempre es detectable a simple vista. En determinados procesos el material que se desperdicia puede llegar hasta un 10%, repercutiendo en costes adicionales y problemáticas ambientales. Los procesos de curado de plásticos termoestables, en general se desarrollan en tiempos muy cortos (incluso inferiores a 3 segundos en algunos casos) son muy difíciles de controlar, ya que dependen de múltiples factores, como por ejemplo la dosificación de los componentes, la temperatura, la presión, la humedad, el envejecimiento de los componentes, etc. Por ello, hoy en día, la única forma de asegurar una buena calidad de plásticos termoestables, como por ejemplo el poliuretano, es realizar una serie de pruebas a dicho material una vez que el proceso de curado ha finalizado, es decir, se tratan de controles realizados a posterior!.
Si no se realiza ningún control durante el proceso de curado, el proceso se basa en especificaciones del fabricante de polímeros sobre tiempo/temperatura/presión recomendados, obtenidas a través de hipótesis sobre el estado de los materiales antes/durante/después del proceso. Normalmente se utilizan estimaciones conservadoras, lo que hace que el curado sea mucho menos eficiente de lo que podría ser.
En algunas ocasiones se lleva a cabo un sistema de control basado en coladas de la mezcla en recipientes especiales las cuales son analizadas de forma destructiva en el laboratorio, donde se determinan diferentes parámetros directamente relacionados con el proceso de curado. Este sistema de control permite corregir a tiempo determinados fallos, pero presenta los inconvenientes:
- Es destructivo
- Sólo describe una fracción temporal de las reacciones que se producen dentro del molde.
- Requiere la paralización temporal de la producción.
- No permite la automatización de un proceso de control .
- No da información sobre las posibles causas que han originado el problema. Son conocidos en el estado de la técnica procedimientos que permiten realizar la monitorización del curado, siendo los más relevantes los basados en sensores de temperatura (US 6,490,501), de ultrasonidos (US 5,009,104, US 5,911,159), sensores basados en fibras ópticas (US 5,158,720), piezo-transductores (US 2006/123914), espectrometría de masas (JP 6344366), resonancia magnética nuclear (US 5,321,358) y micro- dielectrometria a bajas frecuencias (US 5,158,720) . Los sensores de temperatura se caracterizan por que sólo pueden monitorizar reacciones exo/endotérmicas, y porque debe haber un cuidadoso control de la forma, peso y tamaño de las muestras de material para poder obtener medidas precisas. Además, la medida de la temperatura se debe realizar únicamente en un punto, que generalmente se sitúa en la superficie, si el proceso no se desea que sea invasivo.
Los sensores de fibra óptica tienen como inconvenientes el hecho de que son muy frágiles y se ven drásticamente afectados por las variaciones de temperatura o presión, por lo que tampoco son adecuados para monitorizar el curado de la mayor parte de plásticos termoestables, por ejemplo el poliuretano.
El funcionamiento de los sensores de ultrasonidos en procesos de curado se ve enormemente limitado porque los materiales empleados absorben gran parte de la señal.
La espectrometría por IR, por otro lado, requiere de unas medidas destructivas, ya que el sensor penetra y perfora el material para realizar la medida, además de su elevado coste y personal muy especializado. La presente invención describe un nuevo método y un dispositivo, como ejemplo de aplicación de dicho método, para la monitorización no invasiva del proceso de curado de un material plástico termoestable. Durante la evolución del proceso de cambio asociado al curado, la modificación de la viscosidad o el endurecimiento del material se manifiestan también en cambios dinámicos de la permitividad compleja a frecuencias de microondas. Por lo tanto, la medida dinámica y no invasiva de la permitividad compleja del material durante el proceso de cambio, o de algún parámetro dependiente directa o indirectamente de la permitividad compleja, puede ser utilizado para la monitorización del proceso de curado.
Con anterioridad se han descrito técnicas para la medida de la permitividad compleja. Destacan técnicas para la medida de la permitividad compleja en tecnología planar, como circuitos microstrip o coplanar, en las patentes US 5,334,941 y US 6,617,861. En el documento US 5,334,941 se describe un método donde la permitividad se obtiene con la medida de la frecuencia de resonancia y el factor de calidad de un resonador planar a partir de unas expresiones cerradas, basadas en simples expresiones, lo que no permite obtener la permitividad con la precisión ni repetición requerida. En el documento US 6,617,861 se describe otra técnica de medida de las propiedades dieléctricas de materiales sólidos basada en un método iterativo sobre circuitos planares utilizando como instrumento de medida un analizador de redes o un detector de pico para la adquisición del módulo de la reflexión o la transmisión. Asi, el hecho de utilizar métodos iterativos dificultarla un seguimiento en tiempo real de reacciones rápidas. Además, al utilizar únicamente el módulo, la frecuencia de resonancia y los factores de calidad medidos no son validos para la caracterización dieléctrica, especialmente cuando el acoplamiento de una cavidad, o resonador, es muy fuerte, como se demuestra en la descripción detallada de la presente invención. En este caso, el conocimiento de la fase de la medida es esencial.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
En un primer aspecto, la presente invención se refiere a un método para la monitorización no invasiva de la reacción química ligada al proceso de curado de un material plástico termoestable mediante el uso de las microondas . Dicho material plástico termoestable podrá ser, por ejemplo, el poliuretano.
De acuerdo con la invención, dicho método comprende las siguientes etapas. En un primer momento, se situarán los componentes poliméricos en un molde para su conformado y curado, los cuales irán adoptando la forma del molde a medida que el proceso de curado evoluciona hasta convertirse en un plástico termoestable con la forma prefijada del molde. Se generarán señales en el espectro de frecuencias de las microondas, dentro de un rango de frecuencias de entre 300 MHz y 100 GHz, por ejemplo, entre 1 GHz y 3 GHz. Dichas señales microondas serán conducidas hacia el material en el molde mediante un dispositivo sensor resonador alimentado a través de una red de acoplamiento y de un cable microondas para que dicho material plástico termoestable refleje parte de la señal conducida y absorba otra parte de la señal conducida, dependiendo del estado del material termoestable en ese instante, siendo el sensor resonador una estructura microondas resonante que esta en contacto con el material plástico termoestable .
La señal reflejada por el material plástico termoestable será recibida por el mismo cable microondas. Con dicha señal reflejada se obtendrá el factor de reflexión, tanto su módulo como su fase. Dicho factor de reflexión se define como la relación o cociente entre la señal conducida, denominada también incidente y la señal reflejada.
Con dichos valores del factor de reflexión, es decir, su módulo y fase, se determinará la frecuencia de resonancia descargada, el factor de acoplamiento y/o el factor de calidad descargado. Los valores descargados de la frecuencia de resonancia y del factor de calidad corresponden a aquellos valores en los que se ha eliminado la perturbación de la red de acoplamiento del sensor resonador, y que representando la frecuencia de resonancia y factor de calidad reales o propios del sensor resonador sin estar falseados por tener en cuenta el efecto de la red de acoplamiento. La red de acoplamiento puede perturbar la medición realizada de la frecuencia de resonancia y factor de calidad, por este motivo emplear los valores calculados directamente sin haber realizado un ajuste de dichos valores puede provocar resultados incorrectos al no tener en cuenta el acoplamiento antes mencionado. Empleando la relación electromagnética entre la frecuencia de resonancia y el factor de calidad descargados del sensor resonador será posible determinar el valor de la permitividad compleja del material termoestable .
Con los valores obtenidos en tiempo real podrá llevarse a cabo un control en tiempo real del proceso de curado del material plástico termoestable. Para este control o monitorización se podrá emplear bien la frecuencia de resonancia y el factor de calidad descargados o bien la parte real y la parte imaginaria de la permitividad compleja.
Adicionalmente, el método de la invención podrá comprender un procedimiento para obtener la permitividad compleja del material termoestable a partir de la determinación previa de la frecuencia de resonancia, el factor de acoplamiento y el factor de calidad descargados extraídos de la medida del factor de reflexión de un sensor resonador en contacto con el material plástico termoestable. Dicho procedimiento incluye la obtención numérica previa de una relación de entre unas frecuencias de resonancias y unos factores de calidad descargados, que se corresponden a la forma especifica del sensor resonador, con valores de la permitividad compleja del material plástico termoestable con el que está en contacto dicho sensor resonador, cubriendo los valores posibles de variación del material plástico termoestable en su proceso de curado. Es decir, para cada combinación de material plástico termoestable y sensor resonador, se podrá elaborar una matriz que relacione frecuencias de resonancia y factores de calidad descargados con valores de permitividad compleja (parte real y parte imaginaria) , de tal modo que será posible obtener cada uno de estos valores teniendo los otros dos tabulados. En apartados posteriores se proporcionan más detalles del procedimiento aqui mencionado.
Como ya se ha mencionado, la red de acoplamiento puede provocar que la medida obtenida esté falseada. Por este motivo, dentro del procedimiento para obtener la permitividad compleja del material termoestable se propone realizar una pre-calibración del sensor resonador empleando materiales con permitividad conocida y con diferentes redes de acoplamientos, tanto fuertes como débiles, para determinar en todos los casos, la desintonización que produce la red de acoplamiento. Dicha desintonización se puede definir como la desviación de la frecuencia de resonancia descargada respecto a la frecuencia de resonancia medida, correspondiéndose dicha frecuencia de resonancia medida con la frecuencia en la que se produce el pico minimo del factor de reflexión. Se entiende también como un acoplamiento fuerte aquel que permite inyectar una gran cantidad de energía al resonador y por tanto aplicar el sensor resonador a materiales con altas pérdidas o altas conductividades, pero que perturba mucho la frecuencia de resonancia descargada del sensor resonador y un acoplamiento débil aquel que perturba poco al sensor resonador pero que limita su aplicación a materiales con bajas pérdidas o bajas conductividades. Comprende también dicho procedimiento la medida en tiempo real del módulo y de la fase de la señal reflejada y del factor de reflexión, la extracción en tiempo real del factor de calidad descargado, el factor de acoplamiento y la frecuencia de resonancia del pico mínimo a partir del módulo y la fase del factor de reflexión. Con estos valores será posible extraer en tiempo real de la frecuencia de resonancia descargada a partir del factor de acoplamiento y la pre-calibración realizada de la perturbación de la red de acoplamiento. Del mismo modo, con la relación o matriz obtenida se podrá determinar en tiempo real de los valores de la permitividad compleja tomando como valores de partida la frecuencia de resonancia descargada y • el factor de calidad descargado.
En un segundo aspecto de la invención, ésta se refiere a un dispositivo para la monitorización no invasiva y en tiempo real de la reacción química ligada al proceso de curado de un material plástico termoestable, por ejemplo poliuretano, situado en el interior de un molde mediante el uso de microondas. Dicho dispositivo comprende un sensor resonador, un generador de microondas para la generación de una señal de microondas conectado a dicho sensor resonador a través de Un cable de microondas por el que circula la señal generada y un circuito de acoplamiento de energía al resonador. También comprende un receptor microondas para la recepción de una señal reflejada por el mismo cable microondas, la cual se separa de la señal conducida del generador a través de una red separadora.
De acuerdo con la invención, el sensor resonador se sitúa embebido en el molde, comprendiendo dicho sensor resonador una estructura coaxial, de longitud proporcional a la longitud de onda de la señal emitida, con un primer extremo terminado en una pared metálica a modo de cortocircuito, y un segundo extremo contenido en la misma superficie del molde. El segundo extremo del sensor resonador se adapta a la forma del interior del molde y no modifica la superficie interior de dicho molde, es decir, la presencia del sensor resonador no altera el contorno del molde para poder realizar medidas no invasivas. El sensor resonador está conectado con el generador de microondas y el receptor de microondas por el primer extremo del sensor resonador. El segundo extremo del sensor resonador está configurado para conducir la señal de microondas generada al material plástico termoestable . Dicha conducción podrá llevarse a cabo en el caso de que el sensor resonador esté en contacto directo con el material plástico termoestable o bien que estén situados suficientemente próximos como para que la señal llegue desde el sensor resonador al material plástico termoestable sin que haya contacto entre ellos.
La longitud del sensor resonador podrá ser proporcional en un múltiplo entero impar de un cuarto de longitud de onda de la señal emitida. Es decir, la longitud del sensor resonador podrá tener una longitud de un octavo, un cuarto o tres octavos, por ejemplo, de la longitud de onda.
El generador de microondas podrá generar señales microondas en un rango de frecuencias entre 300 MHz y 100 GHz, por ejemplo entre 1 GHz y 3 GHz. En el caso de que tanto la señal generada como la señal reflejada viajen por un mismo cable de microondas, el dispositivo podrá comprender una red separadora para separar ambas señales y asi el receptor recibir sólo la señal reflejada.
El receptor de microondas podrá comprender un elemento seleccionado de entre: un equipo para medir el módulo y la fase de la señal reflejada en tiempo real, un reflectómetro de 5 ó 6 puertos calibrado, o un analizador de redes conectado con un software de control para obtener automáticamente la frecuencia de resonancia y factor de calidad de la señal de la señal reflejada.
El circuito de acoplamiento de energía podrá ser bien de tipo capacitivo o bien de tipo inductivo. Del mismo modo, la red separadora podrá comprender un circuito seleccionado entre: un divisor y un aislador, un divisor y un acoplador direccional, un acoplador direccional dual y un acoplador direccional y un aislador. Como resumen de lo expuesto con anterioridad:
En un primer aspecto, la invención se refiere a un método para la monitorización no invasiva de la reacción química ligada al proceso de curado de un material plástico termoestable mediante el uso de las microondas. En un segundo aspecto, la invención de refiere a un procedimiento para la determinación del grado de curado a partir de las medidas en tiempo real del factor de reflexión de un sensor resonador microondas utilizando un detector que simultáneamente proporcione valores de módulo y fase. En otro aspecto, la invención se refiere, como ejemplo de aplicación del método, a un dispositivo para la determinación del grado de curado de modo no invasivo de un material plástico termoestable a frecuencias de microondas.
En otro aspecto, la invención propone un método para la determinación de la frecuencia de resonancia descargada y el factor de calidad descargado de un sensor resonador de microondas, con un acoplamiento muy intenso. En otro aspecto, la invención propone un método para determinar la permitividad compleja de un material que va sufriendo cambios de endurecimiento, como los que se producen en un proceso de curado de polímeros, a partir de la interpolación en 2-D de las frecuencias de resonancia y factores de calidad descargados medidos y unos valores de la permitividad compleja, parte real y parte imaginaria, previamente obtenidos con un análisis electromagnético riguroso del sensor resonador en contacto con un material con una superficie curvada, adaptada a la forma del molde donde se produce el curado.
En otro aspecto, la invención propone un procedimiento por el cual esta caracterización de la permitividad compleja se realiza en tiempo real a medida que el proceso de curado esta teniendo lugar. Otro objeto de la presente invención es proponer un proceso y dispositivo para la monitorización de la permitividad compleja donde la permitividad no depende de aproximaciones, de expresiones cerradas o de métodos iterativos de las variables relacionadas. Otro objeto de la invención se refiere a un procedimiento y dispositivo para la monitorización del proceso de curado donde los materiales son materiales viscosos con diferente grado de viscosidad.
Otro objeto de la invención se refiere a un procedimiento y dispositivo para la monitorización del proceso de curado donde el material es poliuretano.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las caracteristicas de la invención, se acompaña, como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Muestra un esquema de funcionamiento del dispositivo empleado para monitorizar el curado de un material termoestable objeto de la presente invención, en el que se observan los elementos fundamentales empleados en el método de la invención.
Figura 2.- Muestra diferentes vistas en perspectiva del dispositivo ejemplo de implementación, objeto de la presente invención.
Figura 3.- Muestra una vista de un corte en perspectiva y otro en alzado del dispositivo ejemplo, objeto de la presente invención.
Figura 4.- Muestra un diagrama con el módulo del factor de reflexión medido por el sensor resonador en diferentes instantes de tiempo a medida que el proceso de curado evoluciona.
Figura 5.- Muestra un diagrama eléctrico que representa el circuito equivalente del sensor resonador, junto con el circuito de acoplamiento utilizado para alimentarlo y el cable microondas.
Figura 6.- Muestra una medida de la reflexión del sensor resonador en un instante del proceso de curado, donde se realiza una interpolación para la determinación de la frecuencia de resonancia. Figura 7.- Muestra las desviaciones en la frecuencia de resonancia medida a través del mínimo de la reflexión, fminr respecto a la frecuencia de resonancia descargada o real de la cavidad (fu) en función del tipo de acoplamiento. 1/k bajo representa acoplamientos intensos.
Figura 8.- Muestra un diagrama del valor de la frecuencia de resonancia y el factor de calidad descargados, extraídos de la medida de la señal reflejada por el material a través del sensor resonador, y significan por sí una curva representativa del proceso evolutivo de curado.
Figura 9.- Muestra un diagrama con una representación bidimensional de la parte real de la permitividad compleja en función de la frecuencia de resonancia real y el factor de calidad descargados obtenidos de la señal reflejada, para un ejemplo de un sensor concreto que corresponde los diagramas de las Figuras 2 y 3.
Figura 10.- Muestra un diagrama con una representación bidimensional de la parte imaginaria de la permitividad compleja en función de la frecuencia de resonancia real y el factor de calidad descargados obtenidos de la señal reflejada, para un ejemplo de un sensor concreto que corresponde a los diagramas de las Figuras 2 y 3.
Figura 11.- Muestra un diagrama del valor de la parte real de la permitividad, constante dieléctrica, donde se muestra el procedimiento de interpolación 2-D para obtener el valor de la permitividad en tiempo real, descrito en la presente invención.
Figura 12.- Muestra un diagrama del valor de la constante dieléctrica y el factor de pérdidas extraído de la medida de la señal reflejada por el material a través del sensor resonador, a través del procedimiento descrito en la Figura 11 y significan por si una segunda curva representativa del proceso evolutivo de curado.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A continuación, con referencia a las figuras, se describe un modo de realización preferente del método para la monitorización no invasiva del curado de un material plástico termoestable (2) mediante el uso de microondas y de un dispositivo microondas para la aplicación de dicho método que constituye el objeto de esta invención.
En la figura 1 se muestra un esquema de funcionamiento del procedimiento de medida para la monitorización no invasiva del proceso de curado de un material plástico termoestable (2) . En dicha figura se observa como el material plástico termoestable (2) se sitúa en el interior de un molde (1) metálico. Aunque la mayor parte de las ocasiones el molde (1) es metálico, éste podría ser también de cualquier otro material. Una vez introducido en el interior del molde (1), los componentes polimericos que se convertirán en un material plástico termoestable (2) , comienzan el proceso de curado y éste va evolucionando, modificando sus propiedades y endureciéndose hasta rellenar el molde (1) y adquirir su forma prefijada.
En una pared de dicho molde (1) se realiza un acceso y se sitúa un sensor resonador (4) en contacto con el material plástico termoestable (2) , pero sin alterar la forma de la superficie interior del molde (1) . El contacto entre el sensor resonador (4) y el material plástico termoestable (2) es tal que permite al sensor resonador (4) emitir microondas. Estas ondas penetran en el material plástico termoestable (2) donde una parte son absorbidas y otra parte son reflejadas y captadas por el propio sensor resonador (4) . Si la configuración del sensor resonador (4) pudiera modificar la forma interior del molde (1), se situará una cubierta protectora (3) . Esta cubierta protectora (3) estará constituida por un material transparente a las microondas, es decir, que no absorba ni debilite la energía que se emite al material plástico termoestable (2) . Materiales preferentes para la realización de la cubierta protectora (3) serán aquellos compuestos de teflón o cerámicos.
En dicha figura se observa también como el sensor resonador (4) que emite las microondas directamente al material plástico termoestable (2) recibe las señales procedentes del generador de microondas (7) a través de un circuito de alimentación (5) , el cual esta conectado a un cable de microondas (6) . El circuito de alimentación
(5) del sensor resonador (4) es un elemento esencial en el funcionamiento del proceso, tal y como se describe en las siguientes figuras. Este circuito de alimentación (5) puede ser tanto inductivo, implementado con equipos como lazos de corriente o acoplamientos por aperturas, como capacitivo, llevados a cabo mediante sondas eléctricas, por ejemplo.
La respuesta reflejada del material plástico termoestable (2) se conduce al receptor de microondas (8) por el mismo cable de microondas (6) por el que han sido generadas dichas señales. Con el fin de poder discriminar la señal reflejada de la señal incidente por el generador de microondas (7), se sitúa a continuación del cable microondas (6) una red separadora (9), la cual permite separar la señal reflejada de la señal emitida por el generador. El receptor de microondas (8) estará formado por un detector de módulo y fase, por ejemplo del tipo AD8302, capaz de detectar señales en tiempo real. Los analizadores de redes comerciales podrían realizar esta función pero generalmente se descartan por tener dificultades de trabajar en tiempo real al tratarse de dispositivos genéricos.
Todas la señales, tanto la generación de las señales microondas como la recepción de la reflexión del sensor resonador (4) por el receptor de microondas (8), son controladas por una unidad de control (10) responsable de analizar los resultados del ensayo. Esta unidad de control (10) podrá realizar las etapas necesarias para controlar el correcto proceso de curado de un material plástico termoestable (2), como por ejemplo el poliuretano.
Esta unidad de control (10) realizará las tareas para obtener la medida constante en tiempo real de la reflexión microondas del material plástico termoestable (2) proporcionada por el sensor resonador (4) a medida que va experimentando cambios debidos a la reacción química asociada al proceso de curado. Las etapas de las que consta el método son las siguientes :
— El generador de microondas (7), a partir de la configuración de la unidad de control (10), generará señales en el espectro de las microondas dentro de un rango de frecuencias de entre 300 MHz y 100 GHz, preferentemente entre 1 GHz y 3 GHz.
— Estas señales serán conducidas hacia el sensor resonador (4) mediante un cable microondas (6) conectado al circuito de alimentación (5) del resonador .
— El sensor resonador (4) emite las microondas hacia el material plástico termoestable (2) para que refleje parte de la señal emitida y absorba otra parte de la señal emitida.
— La señal reflejada será captada por el sensor resonador (4) y separada de la señal incidente en el cable de microondas (6) por una red separadora (9) . — Una vez separadas la reflejada de la señal emitida por el generador, el receptor de microondas (8) , previamente calibrado en el rango de frecuencias del generador de microondas (7) , obtiene el módulo y la fase de la relación entre la señal emitida por el generador y la señal reflejada, el cual se denomina factor de reflexión, Tm.
— Una vez determinado el factor de reflexión, Tm, se extraen de esta medida la frecuencia de resonancia y el factor de calidad descargados, según el procedimiento que se describe en las figuras siguientes.
— Con estos dos datos de entrada, frecuencia de resonancia y factor de calidad descargados, se podrá obtener, aunque no es estrictamente necesario, la permitividad compleja del material plástico termoestable (2) cuya modificación es la causante de los cambios de la señal reflejada y absorbida por el material plástico termoestable (2) y que dan base a la monitorización no invasiva del proceso de curado a frecuencias de microondas.
Con los datos del módulo, fase, la frecuencia de resonancia (descargada) , el factor de calidad
(descargado) o la permitividad compleja se podrán obtener, a partir de correlaciones obtenidas experimentalmente, las propiedades fisico-quimicas del material termoestable, poliuretano o cualquier otro tipo de material ensayado, y en particular las propiedades a medida que va cambiando desde los componentes base hasta su posterior endurecimiento como consecuencia del curado.
La figura 2 muestra una posible realización de un sensor resonador (4) para la determinación del grado de
- curado de un material plástico termoestable (2) de modo no invasivo, donde se aplica el método descrito con anterioridad.
El dispositivo consta de un molde (1) metálico y de un sensor resonador (4) configurado como resonador enC reflexión y de los elementos mencionados al describir la figura 1, un generador de microondas (7) para la generación de una señal de microondas la cual se transmite a dicho sensor resonador (4) a través de un circuito de alimentación (5) y un cable microondas (6), una red separadora (9) y un receptor de microondas (8) para la recepción del módulo y la fase de la señal reflejada procedente por el sensor resonador (4).
En este ejemplo de aplicación, como se puede observar en la figura 2, el molde (1) metálico donde se llevará a cabo el proceso de curado del material plástico termoestable (2) , tiene forma sustancialmente tronco- cónica o de vaso.
El sensor resonador (4) se sitúa embebido en el molde (1), en un lateral del mismo. Dicho sensor resonador (4) está basado en una estructura coaxial, de longitud proporcional a la longitud de onda de la señal emitida, en concreto proporcional a 1/4, 1/2 ó 3/8 de la longitud de onda, cuyas dimensiones de radios interior y exterior se han diseñado de tal forma que la respuesta del sensor resonador (4) sea lo más sensible posible frente a las variaciones de la permitividad compleja del material plástico termoestable (2) en su proceso de curado, tal y como se describe en la publicación: Beatriz García-Baños et al 2005, Meas. Sci. Technol . 16 1186- 1192, "Design rules for the optlmizatíon of the sensitivity of open-ended coaxial microwave sensors for monitoring changes in dielectric materials" .
Para monitorizar el proceso de curado con el instrumento descrito, se mezclan los componentes poliméricos, por ejemplo los componentes del poliuretano, se insertan en el interior del molde (1) y se empieza a recibir la reflexión en tiempo real del sensor resonador (4) . En este caso concreto, como se desprende de la figura 2, la configuración del sensor resonador (4) con una apertura sobre el molde (1), requiere de una cubierta protectora (3) de algunas mieras de espesor, para evitar que el material plástico termoestable (2) vea alterada su forma con la forma del sensor resonador (4) . Una aplicación alternativa sin esta cubierta protectora (3) especifica, seria el uso de un vaso (11) estándar de polipropileno, por ser este material transparente a las microondas, con la misma sección interior del molde (1) metálico sobre el cual se pueden verter los componentes poliméricos y en cuyo interior se lleva a cabo el proceso de curado. La propia pared del vaso (11) , de pocas mieras de espesor, actúa como cubierta protectora (3) evitando cualquier interferencia del sensor resonador (4) sobre el material plástico termoestable (2) , permitiendo llevar a cabo el proceso de monitorización de forma no invasiva. Además, la posibilidad de retirar el vaso (11) después de cada análisis y realizar una nueva experiencia, facilita el uso del equipo descrito como instrumento de laboratorio.
Pese a que en la figura 2 aparece un sensor resonador (4) coaxial, la configuración del sensor
- resonador (4) no se limita a resonadores coaxiales sino que se extiende a otro tipo de resonadores que pudieran adaptarse a la forma interior del molde (1), como por ejemplo, sensores planares especiales tales como microstrip curvados, coplanares rectos o curvados, etc, oC sensores en guias de onda con secciones varias, como circular, rectangular, elíptica, etc.
La figura 3 muestra un detalle del instrumento descrito en la figura 2, donde se puede ver que la estructura coaxial del sensor resonador (4) cuenta con dos extremos (12, 13). El primer extremo (12) acaba en una pared metálica (14), actuando dicha pared metálica (14) como un cortocircuito para las microondas y definiendo sus dimensiones, asi como el rango de frecuencias en el que funcionará. Dicho primer extremo (12) además, se utiliza para alimentar el sensor resonador (4) a través de circuito de alimentación (5) . El segundo extremo (13) estará realizado de tal modo que, tal y como se observa en las figuras 1 y 3, se adapta a la forma interior del molde (1) , sin modificar el perfil, contorno o superficie interior de dicho molde (1) .
Siguiendo el mismo procedimiento descrito en la figura 1, el sensor resonador (4) recibe las microondas del generador de microondas (7), en este caso preferentemente entre 1 y 3 GHz, a través del circuito de alimentación o red de acoplamiento (5) y el cable microondas (6), las emite al material plástico termoestable (2) y recoge la . respuesta del material plástico termoestable (2) por el mismo cable de microondas (6), la cual se manifiesta con una reflexión que es recibida por el receptor de microondas (8), - después de ser separada de la señal emitida por el generador de microondas (7) con la red separadora (9) . Todo ello sincronizado por la unidad de control (10) para llevar un control en tiempo real, pudiendo llegar a obtener varios puntos por segundo. C A medida que progresa el proceso de curado, el material plástico termoestable (2) va modificando su permitividad compleja, la cual modifica la señal reflejada captada por el sensor resonador (4) y conducida hacia el receptor de microondas (8). La figura 4 muestra cinco de estas señales reflejadas, en concreto el factor de reflexión Tm, recibidas por el receptor de microondas
(8) después de ser separadas de la señal emitida por el generador por una red separadora (9), en diferentes instantes del proceso de curado. Los diferentes estados del material plástico termoestable (2) durante el proceso curado se manifiestan en esta figura en las diferentes señales recibidas. En la figura se representan cuatro de estas señales recibidas durante el proceso de curado (15) y una última señal que caracteriza el plástico termoestable una vez finalizado el proceso de curado (16).
Cada una de las señales recibidas en la figura 4 muestra un pico que se corresponde con las frecuencias absorbidas por el material plástico termoestable (2) en ese instante preciso, la cual se denomina frecuencia de resonancia, mientras que el resto son reflejadas completamente .
De este modo, de cada una de las señales recibidas se podría extraer una frecuencia de resonancia, aquella a la cual la reflexión es mínima, y un factor de calidad, asociado al ancho de banda de la reflexión alrededor del pico de resonancia, y tomar estos valores para la posterior determinación de la permitividad compleja de los materiales. Sin embargo, este procedimiento, descrito en otras patentes en el procedimiento para la determinación de la permitividad compleja con algunas configuraciones de sensores resonadores muy concretos y que requiere, por otra parte, de un elevado número de puntos discretos de la respuesta en frecuencia, puede acarrear errores importantes en los resultados finales, según se expone a continuación, por lo que en la presente invenció se describe un método alternativo.
En general, la conexión de un sensor resonador (4) con otros elementos externos al mismo, como son el generador de microondas (7) y receptor de microondas (8) a través de un circuito de alimentación o red de acoplamiento (5) y un cable de microondas (6) supone una desintonización de dicho sensor resonador (4), de manera que la frecuencia a la que se produce el mínimo de la reflexión, referida en lo sucesivo como f" mj.n, no coincide con la frecuencia de resonancia real del sensor resonador
(4), denominada frecuencia de resonancia descargada y notada como fur y que es precisamente la que está relacionada con la permitividad compleja del material plástico termoestable (2) . Por otra parte, la conexión del sensor resonador (4) con el resto de elementos provoca también una disminución del factor de calidad de la resonancia. Así, el sistema en su conjunto presenta un factor de calidad, denominado factor de calidad cargado y referido aquí como QL, que es el que guarda relación con el ancho de banda de la resonancia. En cambio este factor de calidad cargado, incluye también los efectos de los elementos externos al sensor resonador (4) y es siempre inferior al factor de calidad real que presenta el sensor resonador (4), denominado factor de calidad descargado, Qn, y que es el que está relacionado con la permitividad del material plástico termoestable (2) . Por lo tanto, es necesario un procedimiento para eliminar los efectos de los elementos externos al sensor resonador (4) sobre la resonancia para, de este modo, obtener los valores de la frecuencia de resonancia y el factor de calidad descargados y poder entonces determinar de forma correcta la permitividad del material plástico termoestable (2) . Dicho procedimiento, no llevado a cabo en otras patentes, se realiza en la presente invención.
Para ello se emplea el diagrama eléctrico de la Figura 5, que representa el circuito equivalente del sensor resonador (4), junto con el circuito de alimentación (5) utilizado para alimentarlo con la señal procedente del generador de microondas (7) a través de un cable de microondas (6) , y cuya reflexión es devuelta a través del mismo cable de microondas (6) hacia el receptor de microondas (8) , donde es medida para determinar el factor de reflexión, Fm.
Este diagrama eléctrico permite modelar la disminución del factor de calidad y desintonización del sensor resonador (4) cuando se conecta al resto de elementos (5, 6, 7, 8), como se ha comentado anteriormente .
A partir del diagrama puede obtenerse la relación entre el factor de calidad cargado, el de todo el sistema, QLr y el descargado, el propio del sensor resonador (4), Qur mediante la siguiente fórmula:
donde k es el coeficiente de acoplamiento del circuito de alimentación (5) del sensor resonador (4) y representa la cantidad de potencia de microondas que se disipa en su interior con respecto a la potencia disipada en el resto de elementos externos al mismo, es decir, representa la cantidad de energía acoplada al sensor resonador (4).
Si el sensor resonador (4) está muy débilmente acoplado, es decir, k es mucho menor que 1, el efecto de ios elementos externos al sensor resonador (4) sobre la resonancia puede, en principio, despreciarse y el factor de calidad descargado, aunque nunca coincide, puede aproximarse por el cargado y utilizarse posteriormente para la determinación de la permitividad compleja sin excesiva pérdida de precisión. Sin embargo, si el acoplamiento no es débil, tal y como es necesario, especialmente al inicio del proceso de curado en materiales termoestables, por ejemplo, donde el material suele presentar de moderadas a elevadas pérdidas y requiere de un acoplamiento fuerte, la influencia del circuito de alimentación es tan importante que el utilizar el valor del factor de calidad cargado para determinar la permitividad llevarla a errores muy importantes . A partir de la expresión (i) es posible determinar el factor de calidad propio del sensor resonador (4), Qu, una vez conocido el factor de calidad cargado, Qx,, y el factor de acoplamiento k. El factor de calidad cargado, QL, puede obtenerse mediante receptores de microondas escalares que midan el módulo del factor de reflexión,
IFjnI, como, por ejemplo, detectores de potencia. Sin embargo, la determinación del factor de acoplamiento k, y por tanto del factor de calidad descargado, Qur requiere de la medida de la fase de la señal, por lo que hace necesario el empleo de detectores de microondas que proporcionen tanto el módulo como la fase de la reflexión.
El factor de calidad cargado, QLl podría obtenerse a partir del ancho de banda de la reflexión alrededor del pico de resonancia, tal y como se lleva a cabo en otras patentes. Sin embargo, en la presente invención se describe un procedimiento alternativo que ofrece resultados más exactos. El procedimiento consiste, básicamente, en un ajuste de curvas automático en el plano complejo de la señal de reflexión recibida en el receptor vectorial, Tm, basado en la formulación rigurosa del modelo del sistema resonante mostrado en la Figura 5, y en un algoritmo rápido para funcionar en tiempo real, lo que es muy importante para una aplicación industrial de este tipo. Este nuevo procedimiento permite:
— Una determinación precisa, simultánea y en tiempo real del valor de QL, k, Qn y fmχn, sin necesidad de una elevada resolución, es decir, sin un gran número de puntos de frecuencia, en el detector ni de otras medidas adicionales. — La obtención de resultados menos vulnerables al ruido electrónico en las medidas.
— Proporcionar valores de incertidumbre en los resultados asociados al ruido electrónico de
- las medidas.
Una vez obtenidos estos parámetros, resta obtener la frecuencia de resonancia descargada o real del sensor resonador, fu. A partir de la relación reflejada en la figura 7 puede obtenerse la relación entre la frecuenciaC de resonancia que minimiza la reflexión, finan/ Y Ia frecuencia de resonancia descargada o propia del sensor resonador, fu, como:
Figure imgf000031_0001
donde be es la reactancia equivalente del circuito de alimentación (5) , pudiendo ser inductiva, es decir, be es mayor que cero, o capacitiva, siendo be menor que cero.
La figura 7 muestra las desviaciones en la frecuencia de resonancia medida a través del mínimo de la reflexión, fiαin/ respecto a la frecuencia de resonancia descargada o real de la cavidad, far en función del tipo de acoplamiento.
De forma análoga a lo que sucedía en los factores de calidad, si el sensor resonador (4) esta débilmente acoplado, es decir, k es mucho menor que 1, el circuito equivalente del circuito de alimentación puede despreciarse y la frecuencia de resonancia, aunque nunca coincide, puede aproximarse por el mínimo del pico de la reflexión del sensor resonador (4) y utilizarse posteriormente para la determinación de la permitividad compleja sin excesiva pérdida de precisión. En la figura 7, se observa que para valores de k mucho menores que 1, lo que significa valores grandes del inverso de k, la frecuencia mínima de reflexión, f-minr se aproxima a frecuencia descargada, fu. Sin embargo, si el acoplamiento es fuerte, tal y como es necesario, especialmente al inicio del proceso de curado de este tipo de materiales poliméricos, donde el material suele presentar de moderadas a elevadas pérdidas dieléctricas, la influencia del circuito de alimentación es tan importante que el utilizar la frecuencia del mínimo de la reflexión para determinar la permitividad llevaría a errores muy importantes. En principio, conociendo el valor de la frecuencia mínima de reflexión, fm±nr Y mediante la expresión (ii) , podría obtenerse el valor de la frecuencia descargada, fu, y eliminar por tanto el efecto de los elementos externos al sensor resonador (4) sobre la frecuencia de resonancia. Sin embargo, la determinación del parámetro be en (ü) requiere del conocimiento exacto de la longitud equivalente del cable de microondas (6), es decir, el valor 1 en la figura 5, lo que en la práctica no resulta posible ya que el circuito de alimentación (5) , también denominado en ocasiones como red de acoplamiento, añade una longitud extra a dicho cable de microondas (β) que es, en general, desconocida y dependiente de los campos electromagnéticos en el interior del sensor resonador (4) . Por ello el procedimiento de ajuste de curvas anteriormente mencionado no proporciona valores de la frecuencia descargada, fu, sino de la frecuencia mínima de reflexión, fm±n-
Por lo tanto, el efecto de los elementos externos al sensor resonador (4) sobre la frecuencia de resonancia se elimina mediante una pre-calibración en el laboratorio con diferentes acoplamientos con la finalidad de determinar la forma exacta de la relación descrita en la figura 7. Esta pre-calibración, junto con el procedimiento de ajuste de curvas anterior, permite posteriormente obtener la frecuencia de resonancia real del resonador, fu, a partir de las medidas de la reflexión, Fmr en tiempo real, lo cual elimina los errores o desviaciones descritos con anterioridad en atentes precedentes. La importancia de este procedimiento es máxima cuando los materiales que se miden son materiales plásticos termoestables (2) , debido a que al inicio del proceso de curado los materiales poliméricos presentan altas conductividades o altas pérdidas, lo que obliga a acoplar muy fuertemente los sensores resonadores (4) para obtener una lectura correcta.
La velocidad del generador de microondas (7) y del receptor de microondas (8) permite obtener varios barridos por segundo lo que hace posible una caracterización en tiempo real. La figura 8 muestra una evolución típica de la frecuencia de resonancia, faι y del factor de calidad, Qu, extraídos de las señales mostradas en la figura 4, a partir del procedimiento descrito en las figuras 5 y 6 y la pre-calibración de la figura 7, con la evolución del proceso de curado y significan por si una curva representativa del proceso evolutivo. Se puede ver que, después de unos cambios iniciales, se llega a una estabilidad en la lectura que indica que el material plástico termoestable (2) ha finalizado el proceso y permanece estable.
Tal y como se ha descrito, la frecuencia de resonancia y el factor de calidad descargados se pueden utilizar para determinar la permitividad compleja de los materiales plásticos termoestables (2) y utilizar la permitividad compleja (parte real y parte imaginaria) como parámetro para la monitorización del proceso de curado, aunque la presente invención no se refiere a un método de determinar la permitividad en particular. Lo que si se propone en la siguiente invención como método de obtener datos de permitividad en tiempo real es una alternativa a expresiones cerradas basadas en aproximaciones o a más rigurosos métodos iterativos y esencialmente se trata de la interpolación en 2-D de unas tablas, matrices, previamente calculadas que relacionan frecuencias de resonancias y factores de calidad descargados y la parte real y la parte imaginaria de la permitividad. Las figuras 9, referidas a la parte real, y 10, que se refieren a la parte imaginaria, muestran el valor de las matrices calculadas para la configuración del sensor resonador (4) mostrado en las figuras 2 y 3; y en la figura 11 el procedimiento de interpolación 2-D utilizado para determinar, por ejemplo, la constante dieléctrica, es decir, la parte real, a partir de unas medidas concretas de frecuencia de resonancia y factor de calidad correspondientes a un instante concreto del proceso de curado. El procedimiento utilizado para generar las matrices ha hecho uso de simuladores electromagnéticos debido a la complejidad de obtener dichas matrices cuando la configuración del extremo del sensor resonador (4) en contacto con el material plástico termoestable (2) no es regular.
La figura 12 muestra la evolución con el tiempo de la constante dieléctrica o parte real de la permitividad y el factor de pérdidas o parte imaginaria de la permitividad durante la' evolución del un proceso de curado de un material termoestable. Dichos valores calculados con los procedimientos descritos con anterioridad, a partir de la medida de la frecuencia de resonancia y el factor de calidad descargado y de el proceso de interpolación 2-D, representan de por si una huella particular de la monitorización de un proceso de curado concreto.
A la vista de esta descripción y juego de figuras, el experto en la materia podrá entender que la invención ha sido descrita según una realización preferente de la misma, pero que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dicha realización preferente, sin salir del objeto de la invención tal y como ha sido reivindicada.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
1.- Método para la monitorización no invasiva de la reacción química ligada al proceso de curado de un material plástico termoestable (2) mediante el uso de las microondas, caracterizado por que comprende las etapas de:
— situar el material plástico termoestable (2) en un molde (1) para su conformado o curado adoptando la forma del molde (1),
— generar señales en el espectro de las microondas dentro de un rango de frecuencias de entre 300 MHz y 100 GHz,
— conducir dichas señales de microondas hacia dicho material plástico termoestable (2) mediante un dispositivo sensor resonador (4), para que dicho material plástico termoestable (2) refleje parte de la señal conducida y absorba otra parte de la señal conducida, dependiendo del estado del material termoestable (2) en ese instante,
— recibir, a través de la respuesta del sensor resonador (4), la señal reflejada por el material plástico termoestable (2) y obtener de la señal reflejada el módulo y la fase del factor de reflexión, siendo el factor de reflexión la relación entre la señal conducida y la señal reflejada,
— determinar la frecuencia de resonancia descargada, el factor de acoplamiento y/o el factor de calidad descargado a partir del módulo y la fase del factor de reflexión, siendo la frecuencia de resonancia y el factor de calidad descargados aquellos valores en los que se elimina la perturbación de la red de acoplamiento (5), también denominado circuito de alimentación del sensor resonador (4), representando la frecuencia de resonancia y factor de calidad reales del sensor resonador (4) sin tener en cuenta el efecto de la red de acoplamiento (5),
— determinar la permitividad compleja del material termoestable (2) a partir de su relación electromagnética con la frecuencia de resonancia y el factor de calidad descargados del sensor resonador (2) ,
— determinar mediante la monitorización en tiempo real de la frecuencia de resonancia y el factor de calidad descargados o bien con la monitorización de la parte real y la parte imaginaria de la permitividad compleja, la evolución del proceso de curado del material termoestable (2) .
2.- Método según la reivindicación 1, caracterizado por que comprende un procedimiento para obtener la permitividad compleja del material termoestable (2) a partir de la determinación de la frecuencia de resonancia, el factor de acoplamiento y el factor de calidad descargados extraídos de la medida del factor de reflexión de un sensor resonador (4) en contacto con el material plástico termoestable (2), ediante:
— obtención numérica de una relación de parejas de valores que relacionan unas frecuencias de resonancias y unos factores de calidad descargados, que se corresponden a la forma específica del sensor resonador
(4), con valores de la permitividad compleja, constante dieléctrica y factor de pérdidas del material plástico termoestable (2) con el que está en contacto dicho sensor resonador (4) , cubriendo los valores posibles de variación del material plástico termoestable (2) en su proceso de curado,
— pre-calibración del sensor resonador (4) empleando materiales con permitividad conocida y con diferentes redes de acoplamiento (5), tanto fuertes como débiles, para determinar en todos los casos, la desintonización que produce la red de acoplamiento (5), entendida dicha desintonización como la desviación de la frecuencia de resonancia descargada respecto a la frecuencia de resonancia medida, correspondiendo dicha frecuencia de resonancia medidas con la frecuencia en la que se produce el pico mínimo del factor de reflexión, — medida en tiempo real, del módulo y de la fase de la señal reflejada y del factor de reflexión,
— extracción en tiempo real del factor de calidad descargado, el factor de acoplamiento y la frecuencia de resonancia fmin obtenida como el minimo del factor de reflexión a partir del módulo y la fase del factor de reflexión, — extracción en tiempo real de la frecuencia de resonancia descargada a partir del factor de acoplamiento y la pre-calibración con la medida de la señal reflejada,
— determinación en tiempo real de los valores de la permitividad compleja tomando como valores de partida la frecuencia de resonancia descargada y el factor de calidad descargado a través de la relación previamente obtenida de pareja de valores de frecuencias de resonancias, factores de calidad descargados y parte real e imaginaria de la permitividad compleja.
3.- Método según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, caracterizado por que las señales de microondas se generan en tiempo real en un rango de frecuencias de entre 1 GHz y 3 GHz.
4. - Método según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado por que el material plástico termoestable (2) monitorizado es poliuretano.
5.- Dispositivo para la monitorización no invasiva y en tiempo real de la reacción química ligada al proceso de curado de un material plástico termoestable (2) situado en el interior de un molde (1) mediante el uso de microondas que comprende un sensor resonador (4), un generador de microondas (7) para la generación de una señal de microondas conectado a dicho sensor resonador (4) a través de un cable de microondas (6) por el que circula la señal generada, un circuito o red de acoplamiento de energía (5) al resonador y un receptor microondas (8) para la recepción de una señal reflejada por el mismo cable microondas (6) y conectado a dicho sensor resonador (4), caracterizado por que el sensor resonador (4) se sitúa embebido en el molde (1), comprendiendo dicho sensor resonador (4) una estructura coaxial, de longitud proporcional a la longitud de onda de la señal emitida, con un primer extremo (12) terminado en una pared metálica (14) a modo de cortocircuito, y un segundo extremo (13) contenido en la superficie del molde (1), de modo que el segundo extremo (13) del sensor resonador (4) se adapta a la forma del interior del molde (1) y no modifica la superficie interior de dicho molde (1), conectado el sensor resonador (4) con el generador microondas (7) y receptor microondas (8) por el primer extremo (12) del sensor resonador (4) y configurado el segundo extremo (13) del sensor resonador (4) para conducir la señal microondas generada al material plástico termoestable (2) .
6.- Dispositivo según la reivindicación 5, caracterizado por que la longitud del sensor resonador (4) es proporcional en un múltiplo entero impar a un cuarto de longitud de onda de la señal emitida.
7. - Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 5-6, caracterizado por que el generador de microondas (7) genera señales de microondas en un rango de frecuencias de entre 300 MHz y 100 GHz.
8.- Dispositivo según la reivindicación 7, caracterizado por que el generador de microondas (7) genera señales microondas en un rango de frecuencias de entre 1 GHz y 3 GHz.
9.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 5-8, caracterizado por que comprende una red separadora (9) para obtener la señal reflejada de la señal conducida por el generador, de microondas (7), puesto que ambas señales viajan por el mismo cable de microondas ( 6) .
10.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 5-9, caracterizado por que el receptor microondas (8) comprende un elemento seleccionado de entre: un equipo para medir el módulo y la fase de la señal reflejada en tiempo real, un reflectómetro de 5 ó 6 puertos calibrado, o un analizador de redes conectado con un software de control para obtener automáticamente la frecuencia de resonancia y factor de calidad de la señal de la señal reflejada.
11.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 5-10, caracterizado por que el circuito de acoplamiento de energía (5) es de tipo capacitivo.
12.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 5-10, caracterizado por que el circuito de acoplamiento de energía (5) es de tipo inductivo.
13.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 10-12, caracterizado por que la red separadora (9) comprende un circuito seleccionado entre: un divisor y un aislador, un divisor y un acoplador direccional, un acoplador direccional dual y un acoplador direccional y un aislador.
14.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 5-13, caracterizado por que el material plástico termoestable (2) es poliuretano.
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